Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

темпы, ввода мощностей) наталкивается на серьезные трудности. Одна из них —

необходимость конструировать роторы диаметром, не превышающим 1350 мм. Такое

требование обусловлено, во-первых, возможностями металлургической

промышленности; во-вторых, достигнутым уже сейчас пределом механической

прочности (при частоте вращения 3000 об/мин). Кроме того, увеличить длину ротора

при заданном диаметре также невозможно из-за возникновения недопустимого прогиба

вала и резонансных явлений.

Не меньшая проблема — бандажи лобовых частей обмотки ротора (каппы) большого

диаметра из немагнитных материалов (составные роторы и бандажи при частоте

вращения 3000 об/мин не применяют вследствие низкой эксплуатационной

надежности).

С ростом мощности и интенсификации охлаждения меняются и показатели

турбогенераторов. Увеличивается токовая загрузка при сравнительно малой

изменяющейся магнитной индукции (последняя ограничена магнитными свойствами

материалов и не может быть существенно повышена). Резко снижается удельный

расход материалов, несколько возрастает КПД.

Наибольшая мощность двухполюсных генераторов традиционных типов, которую, по-

видимому, удастся реализовать в ближайшие 15 лет, будет 1500…2000 МВт, а

наибольшая мощность четырехполюсных 3000…4000 МВт.

Ясно, что для создания генераторов большей мощности понадобятся новые

конструкторские решения и материалы. В этой связи особые надежды ученые и

инженеры возлагают на сверхпроводимость. Недаром одним из основных направлений

развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области

сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники —

разработка сверхпроводниковых турбогенераторов. Сверхпроводящее

электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки

в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В

сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10…50 раз превышающая

плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести

до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8…1 Тл в обычных машинах. Если

учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны

произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что

применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во

много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных

турбогенераторов советского ученого И.Ф.Филиппова, есть основание считать задачу

создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной.

Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только

размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных

генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового

турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А.Глебов, доктора технических наук

В.Г.Новицкий и В.Н.Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним

последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением

"Электросила" в содружестве с учеными Физико-технического института низких

температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке

сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200

кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения

выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-

титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке

воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной

оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический

экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия

(он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из

медных проводников (охладитель — вода) и окружена ферромагнитным экраном из

шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри

оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют

уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам

криотурбогенератором в мире. Цель его создания — отработка конструкции

вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к

сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы

сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину

около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина

обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину

мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников

можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости.

Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и

дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество

мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и

другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь

электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала,

станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая

машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при

создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их

мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают,

что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт,

ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел

определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в

механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что

центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же

турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер

грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась

на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект

сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной

обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет

встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по

сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное

магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод,

традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу

ротора и его инерционность.

Создание криогенных электрических машин — не дань моде, а необходимость,

естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания

утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более

1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была

спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962…1963 гг. Это

была машина постоянного тока с обычным ("теплым") якорем и сверхпроводниковой

обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас — ВНИИэлектромаш) работает над созданием

сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось

построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт…

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий

поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала.

Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор

между этой трубой и внутренней стенкой вала.